FePtAg-C納米顆粒薄膜的制備及表征

歐陽瑩雪，章黎，何慧，蔣俊程，劉成英

（臺州學(xué)院物理與電子工程學(xué)院，浙江臺州 318000）

FePtAg-C納米顆粒薄膜的制備及表征

歐陽瑩雪，章黎，何慧，蔣俊程，劉成英

（臺州學(xué)院物理與電子工程學(xué)院，浙江臺州 318000）

采用磁控濺射法在硅基片上生長FePt納米顆粒薄膜。在硅片表面生長MgO籽層用來引發(fā)FePt合金薄膜的fct織構(gòu)，加入C來減小其顆粒尺寸，加入Ag來增強(qiáng)其L10有序度。采用X射線衍射儀（XRD）、超導(dǎo)量子干涉儀（SQUID）和高分辨率透射電鏡（TEM）對FePt薄膜進(jìn)行表征。結(jié)果表明制備的薄膜樣品具有優(yōu)良的L10相結(jié)構(gòu)，其M-H曲線表明方形度很好，垂直矯頑力HC有2 467 kA/m，顆粒大小為10.4 nm。該薄膜非常適合用做下一代高密度磁存儲媒質(zhì)，可有效提高信息存儲密度。

FePt顆粒薄膜；磁控濺射法

0 引言

在當(dāng)代信息社會，電腦已經(jīng)在各個領(lǐng)域中廣泛使用。眾所周知，電腦的存儲部件-硬盤主要采取磁性材料作為其存儲媒質(zhì)[1-2]。自從上世紀(jì)50年代美國IBM公司推出第一個電腦硬盤RAMA以來，在過去的60多年里，硬盤磁存儲技術(shù)得到迅猛發(fā)展；隨著巨磁阻（Giant Magneto-Resistance，GMR）技術(shù)在磁頭上的應(yīng)用[3]，硬盤數(shù)據(jù)存儲密度大幅度提高，而且存儲模式從傳統(tǒng)的平行存儲更新為垂直存儲[4]。存儲模式的更新?lián)Q代迫使磁存儲媒質(zhì)也要緊跟著進(jìn)步、提升其性能。現(xiàn)行硬盤磁存儲媒質(zhì)材料為CoCrPt合金，其存儲密度為100～500 Gbits/in2[5]。但是，隨著硬盤存儲密度的進(jìn)一步提高（近期目標(biāo)是1 000 Gbits/in2），單個記錄單元的尺寸進(jìn)一步減小，Co系合金將逼近其超順磁極限[1]、失去磁性，而無法作為存儲媒質(zhì)。所以，相關(guān)研發(fā)工程師必須開發(fā)新型高矯頑力的磁存儲材料。

在眾多新型磁性材料中，L10相的FePt合金因其在室溫下具有極高的磁晶各向異性能Ku（最高可達(dá)7.0×106J/m3）和矯頑力HC（最高到7.96×104kA/m），并且在晶粒尺寸小到3 nm的時候仍能保持優(yōu)良的磁性和熱穩(wěn)定性[6-8]，由此成為超高密度磁存儲介質(zhì)的最佳候選者。但是，在目前階段，F(xiàn)ePt薄膜尚無法取代成熟的CoCrPt作為硬盤磁存儲媒質(zhì)，因為符合高密度磁存儲要求的FePt薄膜的生長工藝條件比CoCrPt苛刻太多，成本更高，在將FePt薄膜作為磁存儲媒質(zhì)應(yīng)用于電腦硬盤領(lǐng)域、實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化之前，還必須進(jìn)一步降低其顆粒大小（到4 nm級別）、降低薄膜的生長溫度。研究表明，摻入Ag有助于降低FePt的L10有序轉(zhuǎn)變溫度，摻入C將有助于分隔FePt材料、減小其顆粒尺寸[9-11]。但是，工作尚存在一些不足之處，比如FePt薄膜的磁學(xué)性能不佳等，需要進(jìn)一步改進(jìn)。

將采用磁控濺射方法制備FePtAg-C納米顆粒薄膜，利用MgO籽層來引發(fā)FePt薄膜中的fct織構(gòu)，在FePt生長過程中同時摻入Ag和C來降低L10有序轉(zhuǎn)變溫度和顆粒尺寸。通過XRD、SQUID和TEM的表征，來探討摻Ag和C對FePt薄膜的磁性和顆粒形貌的影響。結(jié)果表明，MgO籽層和摻Ag能夠有效提升FePt納米顆粒薄膜的磁學(xué)性能，摻C可降低FePt納米顆粒薄膜的顆粒大小。

1 實驗材料與方法

1.1 薄膜制備

在實驗中，將一片表面有熱氧化硅層的多晶硅片用丙酮溶液超聲清洗干凈，置入一多靶磁控濺射儀的腔體中，真空度為2×10-6Pa。利用磁控濺射法在硅片上先后沉積MgO籽層和FePtAg-C膜層。第一步，先生長MgO籽層：把硅片加熱到100℃、穩(wěn)定1 h，然后在MgO靶上加200 W的交流電源，通入0.15 Pa的氬氣流，薄膜的生長速率為2 nm/min，濺射時間大約5 min，得到厚度為10 nm的MgO籽層。第二步，生長FePtAg-C膜層：把生長有MgO籽層的硅基片加溫到500℃，利用單質(zhì)Fe、Pt、Ag和C靶把Fe、Pt、Ag和C四種材料同時濺射到硅基片上，氬氣流也是0.15 Pa，調(diào)控不同的功率，使得Fe、Pt和Ag的配比為45∶45∶10（原子比），這樣Fe和Pt的比例為1∶1，而Ag對FePt合金的摻雜濃度為10%，C的體積比為40%，整個FePtAg-C膜層的生長速率是1 nm/min，濺射時間約為380 s，這樣獲得的膜厚為6.4 nm。圖1顯示了該樣品的膜層結(jié)構(gòu)。薄膜濺射完畢，讓樣品在真空腔中冷卻到80℃以下，然后再取出來，開展下一步表征工作。

圖1 FePtAg-C/MgO/Si的膜層結(jié)構(gòu)圖（單位：nm）

1.2 薄膜表征

利用X射線衍射儀（XRD，Bruker AXS D8 Ad-vance，Cu Kα射線）表征FePt納米顆粒薄膜的相結(jié)構(gòu)，利用超導(dǎo)量子干涉儀（SQUID MPMS XL，Quan-tum Design）來測量薄膜的磁滯（M-H）曲線，利用高分辨率的透射電子顯微鏡（TEM，Technai 30）來表征樣品的微觀形貌。

2 結(jié)果與討論

圖2為FePtAg-C納米顆粒薄膜的XRD譜圖。FePt和MgO峰已分別在圖中標(biāo)志出。由圖中可以看出，MgO（200）峰（2θ=43.1°）來自MgO籽層，其主要功能是引發(fā)L10相的FePt織構(gòu)；標(biāo)志fct結(jié)構(gòu)的FePt（001）峰（23.5°）和FePt（002）峰（49.1°）非常尖銳，標(biāo)志fcc結(jié)構(gòu)的FePt（200）峰（47.3°）比較弱，幾乎被（002）峰掩蓋住，而標(biāo)志晶格各項同性的FePt （111）峰（41.6°位置）幾乎沒有出現(xiàn)。FePt薄膜的L10相有序度可通過FePt（001）和（002）峰的強(qiáng)度比值來體現(xiàn)[6]，經(jīng)計算得出該薄膜有序度S=0.92，比較接近于“1”。以上性能顯示出該FePtAg-C納米顆粒薄膜具有很強(qiáng)的L10相和優(yōu)質(zhì)各向異性。

FePt納米顆粒薄膜的優(yōu)良磁學(xué)性能還可以通過其磁滯M-H曲線來體現(xiàn)。實驗中所用SQUID的最大磁場范圍為±4.38×103kA/m，測量精度高達(dá)10-9emu。圖3顯示了FePtAg-C納米顆粒薄膜的垂直和平行磁滯曲線圖。從圖中可以看出，垂直M-H曲線的方形度很好（剩余磁化強(qiáng)度Mr幾乎與飽和磁化強(qiáng)度MS相等，均為560 kA/m），垂直矯頑力HC= 2 467 kA/m，要高于現(xiàn)行的電腦硬盤磁存儲媒質(zhì)CoCrPt合金薄膜（398 kA/m）[5]。此外，薄膜的平行M-H曲線表明其M和H大致遵守線性關(guān)系，平行矯頑力HC=637 kA/m，這樣的性質(zhì)將增強(qiáng)其磁存儲性能[1]。從M-H曲線中還可以計算出該磁性薄膜的各向異性能Ku=4.1×106J/m3，遠(yuǎn)大于現(xiàn)行CoCrPt合金薄膜（6.0×105J/m3），并且比較接近FePt合金薄膜的理論值（7.0×106J/m3）[5，10]。這些參數(shù)表明該薄膜的磁學(xué)性能優(yōu)良，有助于將來應(yīng)用作硬盤存儲媒質(zhì)。

圖2 FePtAg-C納米顆粒薄膜的XRD譜圖

圖3 FePtAg-C薄膜的磁滯曲線圖

為了研究該樣品的微觀形貌，采用了高分辨率TEM透射電鏡來觀察FePtAg-C納米顆粒薄膜（最小分辨尺度可達(dá)1～2 nm）。圖4為FePtAg-C薄膜的透射電鏡圖。圖中顯示，摻入C材料后，與不摻C情形比較，F(xiàn)ePt薄膜很好的被分割成小顆粒[11]。進(jìn)一步測量這些顆粒的尺寸，然后做平均分布圖如圖5所示。由圖可以得出，該FePtAg-C納米顆粒薄膜的平均尺寸為10.4 nm±2.4 nm，顯示出很好的均勻性。

圖4 FePtAg-C納米顆粒薄膜的TEM電鏡圖（顯示其微觀結(jié)構(gòu)，顆粒平均尺寸為10.4 nm）

圖5 FePtAg-C納米顆粒薄膜的顆粒尺寸分布圖

通過以上研究表明，濺射在以熱氧化硅為襯底的MgO籽層上的Fe0.45Pt0.45Ag0.1-40%C納米顆粒薄膜的平均顆粒尺寸為10.4 nm。垂直各向異性是由于FePtAg-C納米顆粒薄膜較強(qiáng)的（001）織構(gòu)在濺射沉積在熱氧化硅襯底上MgO籽層的外延生長。該薄膜具有637 kA/m的平行矯頑力。基于垂直磁記錄技術(shù)的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用要求，該薄膜的平行矯頑力應(yīng)進(jìn)一步降低。在合金中摻入Ag的目的是為了在襯底溫度在達(dá)到500℃時能得到很強(qiáng)的L10相，并且遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于鋁硅酸鹽玻璃的軟化溫度（963℃）。由于FePtAg-C薄膜的單疇尺寸矯頑力HC可高達(dá)2 467 kA/m，這是在高開關(guān)場內(nèi)目前可用電極材料的寫頭在室溫下不可使用的主要原因。因為這個條件的制約，目前的存儲媒質(zhì)的基本要求是：矯頑力HC在398～796 kA/m，飽和磁化場強(qiáng)度MS必須小于1 592 kA/m。由于矯頑力可以通過減少L10相的有序度或者降低顆粒間的磁交換耦合作用而得到降低，該制備高垂直各向異性的FePt納米顆粒薄膜的工藝應(yīng)適用于有適當(dāng)?shù)能洿乓r底（Soft-underlayer，簡稱SUL）的垂直磁記錄媒質(zhì)的加工。另一方面，該納米顆粒薄膜的高矯頑力HC將不會成為提出熱輔助磁存儲媒質(zhì)的障礙。自從該顆粒薄膜被證明是生長在以非晶氧化層的硅基片為襯底的MgO籽層上，可能是用來激發(fā)生長非晶軟磁襯底。來自印度理工大學(xué)的Perumal等[12]提出的無序軟磁襯底FeTaC是由納米軟磁FeTaC通過退火結(jié)晶得到。隨著摻雜這些耐熱軟磁襯底，目前的納米顆粒薄膜具有成為高品質(zhì)垂直磁存儲媒質(zhì)的潛力。

3 結(jié)論

利用磁控濺射法在熱氧化硅基片上成功制成了FePtAg-C顆粒薄膜（其中有MgO籽層），并利用XRD、SQUID和TEM分別表征其織構(gòu)、磁性和微觀形貌。結(jié)果表明，摻C后的FePt薄膜顆粒大小明顯降低，并達(dá)到10.4 nm±2.4 nm。一層10 nm厚的MgO籽層有助于幫助FePt薄膜形成L10相織構(gòu)，摻Ag后的FePt薄膜的磁學(xué)性能得以改善（垂直矯頑力HC高達(dá)2 467 kA/m，磁滯曲線的方形度很好；各向異性能高達(dá)4.1×106J/m3）。這些性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于現(xiàn)行的硬盤磁存儲媒質(zhì)CoCrPt合金薄膜。由此證明，F(xiàn)ePt是一種優(yōu)異的磁存儲材料，在下一代電腦硬盤產(chǎn)品中將有很好的前景用途。

[1]Ruigrok J J M，Coehoorn R，Cumpson S R，et al，Disk record-ing beyond 100 Gb/in2:Hybrid recording（invited）[J].Appl Phys，2000，87（9）:5398-5403

[2]朱徐飛.存儲技術(shù)發(fā)展與展望[M].中國電力教育，2008：5: 365-366.

[3]Mojarabian F M，Rashedi G.GMR effects in grapheme-based Ferromagnetic/Normal/Ferro-magnetic junctions[J].Phys E，2011，（44）:647-653

[4]Zeng Y，Huang X，Zhou W，et al.Numerical study of thermalinduced lubricant depletion induced on an anisotropic multi-layer disk in a heat assisted magnetic recording system[J]. HeatMassTran，2013，60（2）:322-333

[5]HirayamaY，TamaiI，TakekumaI，etal.Roleofunderlayerfor segregated structure formation of CoCrPt-SiO2granular thin film[J].PhysConfSer，2009，165（5）:012033

[6]馮春，李寶河，滕蛟，等.Ag和Ti底層對[Fe/Pt]n多層膜有序化的影響[J].物理學(xué)報，2005，54（10）:4898-4902

[7]展曉元，張躍，顧有松，等.FePtAg顆粒薄膜的制備及性能表征[J].功能材料，2006，9（37）:1436-1441

[8]Xu Z，Liu X D，Gao R X，et al.Photoinduced magnetic soften-ing of perpendicularly magnetized L10-FePt granular films[J]. ApplPhysLett，2008，（93）16:162509

[9]劉梅，陳芳慧，王永紅，等.C底層厚度對FePt（001）織構(gòu)生長的影響[J].兵器材料科學(xué)與工程，2011，34（4）:9-12

[10]Chen J S，Lim B C，Ding Y F，et al.Granular L10FePt-X（X= C，TiO2，Ta2O5）（001）nanocomposite films with small grain size for high density magnetic recording[J].Journal of Ap-pliedPhysics，2009，105（7）:07B702-07B702-3.

[11]李小麗，許小紅，武海順.[FePt/C]n多層膜的結(jié)構(gòu)和磁學(xué)性能.稀有金屬材料與工程，2005，34（9）:1509-1512

[12]Perumal A，Takahashi Y K，Hono K.Fe-Ta-C soft underlay-er for double-layered perpendicular recording media[J]. JournalofAppliedPhysics，2009，105（7）:07A304.

FABRICATION AND CHARACTERIZATION OF FePtAg-C NANOGRANULAR THIN FILMS

OUYANG Ying-xue，ZHANG Li，HE Hui，JIANG Jun-cheng，LIU Cheng-ying
（College of Physics and Electronic Engineering，Taizhou University，TaizhouZhejiang318000，China）

We fabricated FePtAg-C granular thin film on a bare silicon substrate by magnetron sputtering method.A MgO interlayer was grown on the substrate to induce the L10order in the FePt alloy film.The addition of carbon can reduce the grain size of FePt，and the addition of Ag can help enhance the L10order in the FePt film in a relatively low temperature.Then we applied XRD，SQUID and high-resolution TEM to measure its texture，magnetic properties，and microstructures，respectively.Results show that the FePt film has excellent L10order，and the squareness of M-H loop is close to 1，with a high perpendicular coercivity of 2 467 kA/m.The microstructure shows that it has small grain size of 10.4 nm with uniform distribution.This magnetic FePt film is a promising candidate for perpendicular magnetic recording media with high density.

FePt granular film；magnetron sputtering method

O482.54文獻(xiàn)識別碼：A

1006-7086（2014）06-0360-04

10.3969/j.issn.1006-7086.2014.06.013

2014-07-15

臺州學(xué)院新晉教師科研啟動基金

歐陽瑩雪（1993-），女，浙江人，本科，從事薄膜技術(shù)與物理研究。

E-mail：zhangli_cmu2005@aliyun.com